第1章計(jì)算機(jī)與計(jì)算思維

1、大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程簡介課程內(nèi)容：相對穩(wěn)定的、基礎(chǔ)性的計(jì)算機(jī)知識以及計(jì)算機(jī)新技術(shù)的發(fā)展方向與應(yīng)用領(lǐng)域。思維教育：強(qiáng)調(diào)計(jì)算機(jī)知識的內(nèi)在統(tǒng)一性與外在差異性，了解計(jì)算思維。能力培養(yǎng)：基本的信息素養(yǎng)與能力，初步的計(jì)算思維能力。計(jì)算文化 計(jì)算科學(xué) 計(jì)算思維 學(xué)科交叉是創(chuàng)新的源泉 學(xué)科交叉重構(gòu)： XComputer Computer-based + X “多學(xué)科交叉融合是創(chuàng)新的源泉，推動了科學(xué)研究的重大突破與高新技術(shù)的產(chǎn)生?！?構(gòu)建基本的信息素養(yǎng)與學(xué)習(xí)能力，能夠“自覺”的學(xué)習(xí)計(jì)算機(jī)的相關(guān)技術(shù)和知識，以達(dá)到有興趣和會用計(jì)算機(jī)來解決問題，終身受益。 學(xué)會像計(jì)算機(jī)科學(xué)家那樣思考 學(xué)會用計(jì)算機(jī)處理各種問題1.1 計(jì)

2、算技術(shù)的發(fā)展 計(jì)算技術(shù)和計(jì)算工具的發(fā)展 計(jì)算機(jī)的發(fā)展 微型計(jì)算機(jī)的發(fā)展 計(jì)算技術(shù)在中國的發(fā)展 計(jì)算機(jī)的發(fā)展方向計(jì)算技術(shù)和計(jì)算工具的發(fā)展1642 Blaise Pascal加法器Charles Babbage1822 差分機(jī)1834 分析機(jī)MARK IENIAC電子計(jì)算機(jī)時(shí)代計(jì)算機(jī)的發(fā)展第一代第二代第三代第四代1946-19581959-19631964-19711972-現(xiàn)在主機(jī)電子器件電子管晶體管中小規(guī)模集成電路大規(guī)模/超大規(guī)模集成電路內(nèi)存水銀延遲線磁芯存儲器半導(dǎo)體存儲器半導(dǎo)體存儲器外存儲器穿孔卡片，紙帶磁帶，磁盤磁帶，磁盤磁盤、光盤等大容量存儲器處理速度(指令數(shù)/秒)幾千條幾百萬條幾千萬條

3、數(shù)億條以上電子管電子管晶體管晶體管集成電路集成電路大規(guī)模集成電路大規(guī)模集成電路微型計(jì)算機(jī)的發(fā)展微型計(jì)算機(jī)的換代，通常是按其CPU字長和功能來劃分的 第一代(19711973)：4位或低檔8位微處理器和微型機(jī) 第二代(19741978)：中檔的8位微處理器和微型機(jī) 第三代(19781985)：16位微處理器和微型機(jī) 第四代(19851993)：32位高檔微型機(jī) 第五代(1993至今)：64位微處理器與20世紀(jì)70年代的大中型機(jī)功能相當(dāng)。計(jì)算技術(shù)在中國的發(fā)展 十進(jìn)制記數(shù)方法、算籌、珠算盤、指南車、水運(yùn)渾象儀、記里鼓車、提花機(jī)等 國防科技大學(xué)計(jì)算機(jī)研究所研制的“銀河”系列 中科院計(jì)算技術(shù)研究所研制的

4、“曙光”系列 國家并行計(jì)算機(jī)工程技術(shù)中心研制的“神威”系列 聯(lián)想集團(tuán)研制的“深騰”系列計(jì)算機(jī)的發(fā)展方向 巨型化 微型化 網(wǎng)絡(luò)化 智能化Altair 8800計(jì)算機(jī)發(fā)展微型化計(jì)算機(jī)不再是單一的計(jì)算機(jī)器，而是一種信息機(jī)器，一種個(gè)人的信息機(jī)器。計(jì)算機(jī)發(fā)展巨型化運(yùn)算速度可達(dá)每秒幾百億次運(yùn)算的1975年世界上第一臺超級計(jì)算機(jī)“Cray-I”超級計(jì)算機(jī)應(yīng)用：天氣預(yù)報(bào)、地震機(jī)理研究、石油和地質(zhì)勘探，衛(wèi)星圖像處理等大量科學(xué)計(jì)算的高科技領(lǐng)域。中國超級計(jì)算機(jī)：國防科技大學(xué)研制的“銀河1號”、 “銀河2號”和“銀河3號”國家職能計(jì)算機(jī)中心推出的“曙光1000”和“曙光200I”計(jì)算機(jī)發(fā)展網(wǎng)絡(luò)化計(jì)算機(jī)技術(shù)與通信技術(shù)結(jié)

5、合的產(chǎn)物。使用遠(yuǎn)程資源，共享程序、數(shù)據(jù)和信息資源，網(wǎng)絡(luò)用戶的通訊和合作。計(jì)算機(jī)發(fā)展智能化“總有一天，人類會造出一些舉止跟人一樣的沒有靈魂的機(jī)械來”。 笛卡爾（1637）人類第一個(gè)“工業(yè)機(jī)器人”：一頭在紡織機(jī)上挑紗的“驢”（1742年）第一代機(jī)器人機(jī)械手（1962年出現(xiàn)）第二代機(jī)器人具有“感覺”的機(jī)器人第三代機(jī)器人裝有啟發(fā)式計(jì)算機(jī)的“智能機(jī)器人”未來的計(jì)算機(jī) 光子計(jì)算機(jī) 生物計(jì)算機(jī) 量子計(jì)算機(jī) 納米計(jì)算機(jī) 1.3 信息技術(shù)與普適計(jì)算各種事物的變化和特征的反映信息的載體信息數(shù)據(jù)信息與數(shù)據(jù) 例如：數(shù)值、文字、語言、圖形、圖像等。 17 信息技術(shù)（Information Technology，IT）

6、信息和通信技術(shù)（Information and Communication Technology, ICT） 通信技術(shù) 計(jì)算機(jī)技術(shù) 現(xiàn)代信息技術(shù)（群）1.2 普適計(jì)算 又稱普存計(jì)算、普及計(jì)算（pervasive computing，ubiquitous computing） 強(qiáng)調(diào)和環(huán)境融為一體的計(jì)算，人們能夠 在任何時(shí)間 在任何地點(diǎn) 以任何方式進(jìn)行信息的獲取與處理。信息技術(shù)的應(yīng)用科學(xué)計(jì)算 數(shù)據(jù)處理 電子商務(wù) 過程控制 4123CAD/CAM 多媒體技術(shù) 虛擬現(xiàn)實(shí) 人工智能 85671.3 人與計(jì)算機(jī) 人與計(jì)算機(jī)的對弈 人類思維形式 科學(xué)研究方法 計(jì)算機(jī)的局限性人與計(jì)算機(jī)的對弈 AlphaGo是

7、一款圍棋人工智能程序。它的主要工作原理是“深度學(xué)習(xí)”。 人類的潛在創(chuàng)造性和自我學(xué)習(xí)的能力以及非公式化的經(jīng)驗(yàn)積累，是現(xiàn)代計(jì)算機(jī)無法比擬的。人類思維形式 思維 “人腦對客觀事物的本質(zhì)屬性和事物之間內(nèi)在聯(lián)系的規(guī)律性所作出的概括與間接的反映”。 錢學(xué)森教授認(rèn)為人類思維的基本形式 形象思維 邏輯思維 創(chuàng)造思維 人腦的思維方式并不是計(jì)算機(jī)一朝一夕能夠模擬的?？茖W(xué)研究方法 科學(xué)研究 為了增進(jìn)知識包括關(guān)于人類文化和社會的知識以及利用這些知識去發(fā)明新的技術(shù)而進(jìn)行的系統(tǒng)的創(chuàng)造性工作。 科學(xué)研究方法 理論 實(shí)驗(yàn) 計(jì)算計(jì)算機(jī)的局限性 計(jì)算機(jī)只能做可計(jì)算性問題，不能做那些不可計(jì)算的問題 現(xiàn)代計(jì)算機(jī)發(fā)展所遵循的基本結(jié)構(gòu)形

8、式始終是馮.諾依曼體系結(jié)構(gòu)。 計(jì)算機(jī)所做的一切都是按照人的指令來進(jìn)行的。 計(jì)算機(jī)只不過是一個(gè)處理指令的機(jī)器，即使有“智慧”，也是人賦予的。 不可計(jì)算性問題 被處理的信息無法表示為0或1的二進(jìn)制狀態(tài)； 需要計(jì)算的數(shù)據(jù)無法表示為有限的和確定的； 數(shù)據(jù)的大小和精度無法表示在固定的范圍； 問題的處理方法無法表示為無二義性的形式化算法，無法在有限步驟內(nèi)完成等。1.4 計(jì)算思維我們所使用的工具影響著我們的思維方式和思維習(xí)慣，從而也將深刻的影響著我們的思維能力。（工具影響思維）Edsger_DijkstraJeannette M. Wing 周以真卡內(nèi)基-梅隆大學(xué)教授 Computational think

9、ing will be a fundamental skill used by everyone in the world by the middle of the 21st Century.計(jì)算思維是運(yùn)用計(jì)算機(jī)科學(xué)的基礎(chǔ)概念進(jìn)行問題求解、系統(tǒng)設(shè)計(jì)以及人類行為理解等涵蓋計(jì)算機(jī)科學(xué)之廣度的一系列思維活動 2022/3/17吉林師范大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院27 實(shí)驗(yàn)和理論思維無法解決的問題 大量復(fù)雜問題求解、宏大系統(tǒng)建立、大型工程組織都可通過計(jì)算模擬 核爆炸、蛋白質(zhì)生成、大型飛機(jī)、艦艇設(shè)計(jì) 美科學(xué)家Stephen Wolfram： A New Kind of Science 傳統(tǒng)的科學(xué)建立在數(shù)學(xué)基礎(chǔ)上 新的

10、科學(xué)建立在計(jì)算機(jī)程序上計(jì)算思維能力的培養(yǎng)計(jì)算思維（Computational Thinking，CT）是運(yùn)用計(jì)算機(jī)科學(xué)的基礎(chǔ)概念進(jìn)行問題求解、系統(tǒng)設(shè)計(jì)、和理解人類行為等涵蓋計(jì)算機(jī)科學(xué)廣度的一系列思維活動。 計(jì)算思維-理解人類行為 計(jì)算思維-問題求解 計(jì)算思維-系統(tǒng)設(shè)計(jì)計(jì)算思維-理解人類行為29引入：人是如何處理事務(wù)的引入：人是如何處理事務(wù)的接收信息接收信息完成結(jié)果完成結(jié)果計(jì)算計(jì)算控制眼睛、手控制眼睛、手記憶數(shù)據(jù)記憶數(shù)據(jù)圖靈機(jī)圖靈機(jī)計(jì)算思維的特點(diǎn) 概念化，不是程序化。 基礎(chǔ)的，不是機(jī)械的技能。 人的，不是計(jì)算機(jī)的思維。 數(shù)學(xué)和工程思維的互補(bǔ)與融合。 面向所有的人，所有地方。 是思想，不是人造品。 計(jì)算思維最根本的內(nèi)容，即其本質(zhì)是抽象（Abstraction）和自動化（Automation） 計(jì)算思維能力 狹義的計(jì)算思維 廣義的計(jì)算思維面對一個(gè)新問題，運(yùn)用所有資源將其解決的能力。 計(jì)算思維能力的核心: 問題求解的能力 發(fā)現(xiàn)問題 尋求解決問題的思路 分析比較不同的方案 驗(yàn)證方案計(jì)算思維能力的培養(yǎng) 深入掌握計(jì)算機(jī)解決問題的思路，更好地用好計(jì)算機(jī); 把計(jì)算機(jī)處理問題的方法用于各個(gè)領(lǐng)域; 推動在各個(gè)領(lǐng)域中運(yùn)用計(jì)算思維，更好地與信息技術(shù)相結(jié)合。計(jì)算思維能力是跨學(xué)科、跨領(lǐng)域合